Stellite 21
Einführung in Stellite 21
Stellite 21 ist eine geschmiedete (wrought) kobaltbasisierte Legierung, die für ihre außergewöhnliche Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen bekannt ist. Im Gegensatz zu anderen Stellite-Sorten, die Härte und Abriebfestigkeit priorisieren, ist Stellite 21 für Anwendungen ausgelegt, die Verschleißbeständigkeit sowie überlegene Stoß- und Thermoschockleistung erfordern. Seine ausgewogene Zusammensetzung aus Kobalt, Chrom, Nickel und Molybdän bietet eine hervorragende metallurgische Stabilität und Beständigkeit gegen Fressen (Galling) und eignet sich dadurch für Gleitkontakt und mechanische Schockbelastungen.
Stellite 21 wird häufig durch Schmieden oder Gießen hergestellt und anschließend mittels fortschrittlicher CNC-Bearbeitung präzisionsgefertigt. Es wird in der Luft- und Raumfahrt, der Kerntechnik, der Petrochemie und der Medizintechnik für Komponenten wie Ventilsitze, Motorbuchsen, Gelenkimplantate und Turbinenbauteile eingesetzt – insbesondere dort, wo Maßstabilität und reibungsarmer Metall-auf-Metall-Kontakt entscheidend sind.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Stellite 21
Stellite 21 (UNS R30021 / AMS 5385 / ISO 5832-3) ist eine korrosions- und verschleißbeständige Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung mit erhöhter Schlagzähigkeit und Beständigkeit gegen thermische Ermüdung. Sie ist in geschmiedeter, gegossener und pulvermetallurgischer Form erhältlich.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Kobalt (Co) | Rest (≥60,0) | Basismatrix für Korrosion, Zähigkeit und thermische Festigkeit |
Chrom (Cr) | 26,0–30,0 | Erhöht Oxidationsbeständigkeit und bildet eine passive Schutzschicht |
Molybdän (Mo) | 5,0–6,0 | Erhöht die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion |
Nickel (Ni) | 2,0–4,0 | Verbessert Zähigkeit und Schweißbarkeit |
Kohlenstoff (C) | 0,20–0,30 | Bildet Karbide für Verschleißbeständigkeit bei erhaltener Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Restanteil |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Verbessert Oberflächenqualität und Fließfähigkeit beim Gießen |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verfeinert die Kornstruktur und verbessert die Warmumformbarkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,33 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1385–1435°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 14,0 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 0,98 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,4 µm/m·°C (20–400°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 430 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 210 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (geschmiedet oder HIP + wärmebehandelt)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Härte | 30–35 HRC (lösungsgeglüht) / 35–42 HRC (ausgelagert) | ASTM E18 |
Zugfestigkeit | 900–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 400–600 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | 8–15% | ASTM E8/E8M |
Schlagzähigkeit | ≥80 J (Charpy V-Kerbschlag bei RT) | ASTM E23 |
Fressbeständigkeit (Galling) | Ausgezeichnet | ASTM G98 |
Wesentliche Eigenschaften von Stellite 21
Hohe Zähigkeit und Rissbeständigkeit: Überlegen gegenüber anderen Stellite-Sorten durch den geringeren Kohlenstoffgehalt; dadurch beständig gegen thermische Ermüdung, Stoßbelastung und mechanische Schocks.
Korrosionsbeständigkeit in Chlorid- und sauren Medien: Hervorragende Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit durch die Synergie von Molybdän und Chrom.
Gute Fressbeständigkeit (Galling): Bewährt sich in Metall-auf-Metall-Kontaktanwendungen unter Druck auch ohne Schmierung.
Maßstabilität bei hohen Temperaturen: Zuverlässiger Betrieb bis 850°C in zyklischen thermischen Umgebungen mit minimaler Verformung oder Degradation.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Stellite 21
Bearbeitungsherausforderungen
Moderater Karbidgehalt
Obwohl weniger abrasiv als Stellite 6 oder 12, bleibt Werkzeugverschleiß aufgrund verteilter Karbide und der Zähigkeit der Legierung ein Thema.
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Führt zu lokaler Erwärmung und Risiko der Kaltverfestigung – insbesondere bei Schlichtbearbeitungen oder langen Eingriffszeiten.
Rückfederung und Werkzeugabdrängung
Hoher Elastizitätsmodul und Festigkeit können beim Schruppen und bei Profilbearbeitungen zu Rattern und Maßungenauigkeiten führen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | PVD-beschichtetes Hartmetall (K20–K30) oder CBN zum Schlichten | Balanciert Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit |
Beschichtung | TiSiN oder AlCrN (3–5 µm) | Reduziert Werkzeugtemperatur und Reibung |
Geometrie | Neutral bis leicht negativer Spanwinkel, verrundete Schneide (0,03 mm) | Verbessert Schneidkantenstabilität und Oberflächenqualität |
Schnittparameter (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 12–18 | 0,15–0,25 | 1,5–2,5 | 100–120 |
Schlichten | 20–28 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Stellite-21-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert die Ermüdungslebensdauer und beseitigt innere Porosität – besonders wichtig für gegossene oder 3D-gedruckte Teile unter dynamischer Belastung.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung stabilisiert die Kornstruktur und erhöht die Härte, während sie Bearbeitungseigenspannungen abbaut.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen mit passendem Zusatzwerkstoff (Stellite-21-Stab) gewährleistet eine hohe Verbindungsintegrität, ohne Korrosions- oder Verschleißbeständigkeit zu beeinträchtigen.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung verlängert die Lebensdauer in Anwendungen, die Verbrennung oder heißen Gasen über 800°C ausgesetzt sind.
Funkenerodieren (EDM)
EDM ermöglicht komplexe Geometrien mit Ra <0,5 µm und vermeidet dabei mechanische Spannungen während der Schlichtbearbeitung.
Tieflochbohren
Tieflochbohren stellt Genauigkeit in verschleißbeständigen Bohrungen, Dichtkavitäten und Schmierkanälen sicher.
Materialprüfung und Analyse
Materialprüfung umfasst Zugversuche, Härteverifizierung, Metallographie und ZfP (Ultraschall, Farbeindringprüfung, Röntgen).
Industrieanwendungen von Stellite-21-Komponenten
Luft- und Raumfahrt & Energieerzeugung
Ventilführungen, Buchsen und hochbelastete Gleitverschleißkomponenten für Triebwerke und Heißsektionen.
Kerntechnik & Petrochemie
Reaktor-Ventilsitze, Pumpenwellen und Steuerungskomponenten – beständig gegen Hochdruckkorrosion und Strahlenbelastung.
Medizin- & Orthopädieprodukte
Hüft- und Kniegelenkkomponenten dank ausgezeichneter Biokompatibilität und mechanischer Dauerfestigkeit unter dynamischer Last.
Allgemeine Industrie
Werkzeuge, Verschleißplatten und Lagerbuchsen für hin- und hergehende oder oszillierende Verschleißbedingungen unter Druck.
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